[发明专利]一种致密氧离子-电子混合导体氧化物涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种致密氧离子-电子混合导体氧化物涂层的制备方法，属于表面技术领域，特别涉及一种采用超音速等离子喷涂在多孔金属材料表面沉积致密La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O_3-δ涂层的制备方法。

背景技术

氧离子-电子混合导体氧化物是一类同时具有氧离子和电子导电性能的陶瓷材料，此类材料制得的致密薄膜在高温（尤其是700℃以上）、氧浓度梯度的驱使下，氧可以透过致密膜由高氧分压侧向低氧分压侧扩散。该类材料一般会具有钙钛矿或类钙钛矿型晶体结构，钙钛矿结构是混合导体氧化物材料中最为理想的一种结构形式，本发明选用的La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O_3-δ氧化物即具有典型的钙钛矿结构，其晶格中极易形成氧离子缺陷（氧空位），氧得以在这些空位中进行传输，这种氧空位机制使得混合导体氧化物材料对氧有100%的选择透过性。因此，由混合导体氧化物材料制备出的透氧膜在氧分离（如制氧，CO₂、NO等有害排放分解）、涉氧工业过程（如天然气部分氧化制合成气等）以及固体燃料电池等领域具有十分诱人的应用前景。

目前制备膜多采用成型-烧结方法，该类方法存在制备周期长，制备出的膜脆性大、机械强度低、高温下不易连接密封等缺点，导致目前混合导体透氧膜仍难以进入工业化应用。为解决这些问题，有研究提出在透气性能良好的多孔金属上制备透氧膜。多孔金属的支撑作用保证透氧膜具有较高的机械强度，从而可大幅降低透氧膜厚度，有助于提高其透氧性能。与陶瓷透氧膜材料相比，金属在高温下也更易于连接密封。由于传统制备过程中多孔金属与膜材料不能共烧结，因此现有方法已不能在金属上进行致密膜的制备，而等离子喷涂方法可实现在多孔金属支撑上快速大面积沉积透氧膜，在显著提高透氧膜的制备效率、机械强度的同时更易于封接和组件化，在未来工业化应用方面具有明显优势。然而目前常规的等离子喷涂涂层结构较为疏松，涂层致密性无法满足混合导体透氧膜的要求。新型的超音速等离子喷涂方法的特点是焰流集中、温度高、速度高，有利于获得结构致密的陶瓷涂层，很适合用于透氧膜的制备。

发明内容

本发明的目的为了克服现有混合导体致密透氧膜制备方法上的不足，提出了一种在多孔金属材料上制备致密混合导体透氧膜的方法，即利用热喷涂方法将La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O_3-δ粉末原材料制备成可以用于透氧的致密涂层，这种涂层即为透氧膜。所述方法利用超音速等离子喷涂技术在多孔金属表面沉积的La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O_3-δ涂层具有结构致密、热化学性能稳定等优点。

本发明是通过下列技术方案来实施的：具体制备步骤如下：

(1)多孔金属的前处理：用丙酮超声清洗多孔金属基体表面，然后采用120#白刚玉或46#锆刚玉砂，喷砂压力0.18~0.4MPa喷砂处理；

(2)制备La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O_3-δ涂层：以La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O_3-δ氧化物粉末为热喷涂材料，喷涂电流250~270A，喷涂电压440~475V，压缩空气压力3~4bar，丙烷流量为1.5~2.5L/min，送粉氮气流量9~12L/min，送粉率6~10g/min，喷涂距离150~250mm，制备La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O_3-δ涂层厚度约为60~90μm。

上述步骤（1）中的多孔金属为开孔率34~37%的316L不锈钢和开孔率15%的NiCrAlY合金。

上述步骤（2）中La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O_3-δ热喷涂材料为团聚烧结粉末，粒径为-45±15μm。